Termometr dokładniejszy

13 XII 2021

W poprzedniej historii uznaliśmy, że każda materia powyżej zera bezwzględnego emituje promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwości tym większej (albo długości fali tym mniejszej), im wyższa jest jej temperatura. Co w praktyce oznacza, że przedmioty w temperaturze pokojowej emitują podczerwień, a rozgrzane powyżej 600 stopni — światło widzialne o zmieniającym się maksimum barwy: z czerwonej, przez pomarańcz, żółć, dalej — aż do odcieni niebieskich, fioletowych i poza pasmo widzialne, w zakresy, które dla człowieka są już niebezpieczne. Lecz na co dzień z takimi temperaturami nie będziemy mieć do czynienia.

Można za to obejrzeć sobie różne kolory mocno rozgrzanych ciał niebieskich, patrząc w nocne niebo, a raczej robiąc mu zdjęcia, gdyż rozdzielczość barwna oka ludzkiego dla tak małych obiektów jest słaba.

O kolorze, czyli długości fali światła, dla której mamy maksimum promieniowania, mówi prawo Wiena. Dzięki temu znając barwę gwiazd, możemy określić ich temperaturę.

Sprawę koloru mamy zatem załatwioną, pozostaje problem mocy. Tutaj znowu panowie Stefan i Boltzmann ustalili, iż dla konkretnej powierzchni ciała ta zależy od czwartej potęgi jego temperatury i pewnej stałej, którą nazwano na cześć naukowców ich nazwiskami.

Wszystko to jest piękne, tylko istnieje haczyk: rozważania dotyczą ciał doskonale czarnych, czyli hipotetycznej materii, która pochłania całkowicie wszelkie promieniowanie padające na nią. Materia rzeczywista oczywiście taką nie jest, choć na przykład sadza prawie ociera się o absolut. I tutaj właśnie doszliśmy do naszego współczynnika emisyjności. Ciało doskonale czarne cechuje wartość jeden, ciało doskonale białe — zero. Przejdźmy teraz do ciał niedoskonałych.

W pierwszej grupie znajdziemy zbiór materii o współczynniku równym mniej więcej 0,95

Jest to o tyle istotne, że termometry nie pozwalające ingerować w wartość współczynnika najczęściej mają go ustawionego właśnie dla tego zbioru materii i jej skanowanie da wyniki najdokładniejsze. Druga grupa jest nieduża, ale jest tam jedna istotna pozycja: ludzka skóra.

Termometry do mierzenia temperatury ciała mają ten współczynnik ustawiony właśnie na tę wartość. Termometr z poprzedniej historii prawdopodobnie przełączał ten współczynnik przy zmianie trybu pracy.

W końcu mamy pozostałe grupy. Niektóre współczynniki są zbliżone do standardowego, inne — mają szeroki zakres tolerancji ze względu na konkretną strukturę, a metale potrafią mieć ten współczynnik bardzo niski i mierzenie ich termometrem bez możliwości jego zmiany nie ma sensu.

Termometr numer dwa.

Tym razem menu jest bardziej rozbudowane i znajdziemy wśród różnych, w większości nieprzydatnych elementów, także możliwość ustawiania współczynnika emisyjności. Zatem przed mierzeniem należy rzucić okiem w tabelę i ustawić wartość zgodną z opisem. Trzeba jednakoż pamiętać, iż wartości te w części mają spore tolerancje, a dostępne zestawienia różnią się czasem. Cóż, nadal jest to wartość szacunkowa, a nie idealna i wymagać pomiarów najwyższej dokładności od takiego urządzenia nie należy. Ale i nie ma takiej potrzeby w warunkach domowych, różnica temperatury wywoływacza o pół stopnia nie ma w praktyce znaczenia.

I tu kolejna dygresja: pada często argument mitycznie dokładnego termometru rtęciowego. Otóż istotnie taki termometr może być dokładny, o ile tylko zostanie dokładnie wykonany. Rozszerzalność rtęci jest niewielka, rzędu dwóch setnych procent na stopień, więc wymagana dokładność wykonania kapilary jest naprawdę spora. Ile takich termometrów funkcjonuje wśród wciąż eksploatowanych — trudno powiedzieć.

To nie wszystko, co stoi na przeszkodzie pomiarów. Lustrzane powierzchnie będą odbijać promieniowanie obce, a transparentne — przepuszczać pochodzące z tła, zupełnie jak ze światłem. Do takich pomiarów lepiej będzie nadawać się kamera termowizyjna, na której wszelkie tego typu zafałszowania będą widoczne podczas zmieniania kąta patrzenia na przedmioty. Na nasze potrzeby po prostu oklejmy garnek czymś o współczynniku znanym, albo mierzmy temperaturę czegoś, co pływa wewnątrz.

Omawiany tu termometr ma poszerzony zakres do 380 stopni, ale niższą dokładność deklarowaną: półtora stopnia. Ma też wskaźnik laserowy zamiast diody świecącej. Pokładowy komputerek oprócz wskazań temperatury może wyświetlać najwyższą i najniższą wartość zarejestrowaną w serii, jak również różnicę pomiędzy pomiarami. Może także sygnalizować przekroczenie ustawionej temperatury progowej oraz podawać uśredniony wynik serii pomiarów. Zaglądnijmy jak zwykle do wewnątrz.

Po odkręceniu dwóch wkrętów i zdjęciu osłon zobaczymy tym razem nieco inny widok. Kabelków nie ma tu prawie w ogóle i całość wygląda schludnie. Budowę urządzenia potraktowano serio, osłaniając pirometr stalową tuleją.
Tuleja została przedłużona nasadką zawierającą soczewkę Fresnela oraz karby wygaszające odbicia. Dzięki temu powierzchnia mierzona jest ograniczona do pola o średnicy 38 milimetrów przy odległości 30 cm. Na obudowie znajduje się tabela odległości i pól krycia sensora.
Pomiar wspiera wskaźnik laserowy, znacznie dokładniejszy od diody świecącej, a przede wszystkim o nieograniczonym zakresie działania. Jak to z laserami bywa, mimo niewielkiej mocy nie należy się nań patrzyć.

Wielka Tajemnica Glutem Pokryta.

Płytka drukowana, jedyna jaką znajdziemy, zawiera mikroprocesor bez obudowy, zalany masą hermetyzującą.

Niestety opis na płytce także nie zwraca jakichkolwiek wyników, zatem możemy założyć jak poprzednio, iż jest to typowy mikroprocesor ze sterownikiem ekranu LCD, wykonany na zamówienie producenta termometru. Z rzeczy mądrych znajdziemy tutaj jeszcze pamięć flash o pojemności 256 bajtów, zapewne do przechowywania wyników, oraz szeregowy zasilacz, jako że urządzenie zasilane jest baterią dziewięciowoltową.

W centrum znajdziemy pirometr, podobny do poprzedniego i najprawdopodobniej porozumiewający się z procesorem za pomocą magistrali I²C. Prawdopodobnie jest to układ MLX90614. Co siedzi w takim urządzeniu?

Dwa czujniki podczerwieni, specjalny wzmacniacz dla bardzo słabych sygnałów, następnie siedemnastobitowy przetwornik analogowo-cyfrowy, zatem o większej rozdzielczości niż technologia używana na płytach CD. Cyfrowy sygnał, odporny już na zakłócenia, jest przetwarzany z uwzględnieniem temperatury otoczenia i wszelkich współczynników linearyzujących, dzięki czemu oferuje dokładność ½ stopnia bądź ⅕ — dla wariantów przeznaczonych dla termometrów lekarskich. Przez magistralę I²C można przesłać różne dane konfiguracyjne, w tym także współczynnik emisyjności. Urządzenie może także emitować dane w postaci ciągłej: przebiegu prostokątnego o wypełnieniu zależnym od mierzonej temperatury, z dokładnością do 10 bitów.

Okienko zawiera filtr, zapewne z germanu, przepuszczające pasmo od 5,5 do 14 µm, czyli daleko poza granicami światła widzialnego. Stąd maksymalny zakres mierzonej temperatury to 380 stopni.

Druga strona płytki nie skrywa niczego istotnego. Są tutaj styki klawiatury oraz wyświetlacza. Ten jest łączony za pomocą gum przewodzących, a klawiatura stanowi bardzo popularną gumową wypraskę z grafitowymi stykami.

Także tutaj wyświetlacz jest podświetlony, teraz jednak jednym tylko kolorem — białą diodą świecącą. Całość jest zgrabna, przemyślana i nie zawiera niczego zbędnego. Trzeba jednak pamiętać, że tego typu termometry nie nadają się do pomiaru temperatury ludzkiego ciała ze względu na zbyt niską deklarowaną dokładność. Służą po prostu do zupełnie innych rzeczy.